CN101419291A - 一种基于超高速数据采集卡的多适性核信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于超高速数据采集卡的多适性核信号处理系统，涉及信号检测与处理技术。本系统基于同一块数据采集卡构造出一种基于PC平台的核信号处理与分析系统，对于不同形式的来源信号采用不同的采集方式和记录方式。当输出到通道的中子信号的数据流为脉冲形式时，采集按时间－数据转换TDC方式记录信号；当输出到通道的中子信号的数据流为连续形式时，采集按模拟/数字转换ADC方式记录信号。本系统能够同时适用于多种形式核信号源，能同时满足高频脉冲、低频脉冲和高频连续、低频连续信号形式的核信号高速采集、高速存储、高速处理分析要求。

Description

一种基于超高速数据采集卡的多适性核信号处理系统

技术领域

本发明涉及计算机应用技术，尤其涉及核信号检测与处理技术，适用于核信号处理与分析领域。

背景技术

随着核科学技术的飞速发展，对由核辐射和原子核等构成的核信息系统所携带的信息进行测量和分析，是进行核信息系统内部特征和规律研究的重要保证。通常，人们主要采用各种“光电类”探测器件，如光电倍增管(PMT)、光电二极管(PD)等所构成的核辐射探测器来感受和传递核信息，并把它转换成电信号，进而处理和研究这些信号及其特征。由于核信号产生的特殊性，每获取一次核信号代价往往极其昂贵，而且实验无法重复进行，因而现代核信号处理必需要求高速、实时和准确，还要考虑构建整个系统的低成本、可重用、多适性等问题。

核信息系统中的核信号通常是一种多通道裂变信号，它具有形式多样性、表现复杂性、裂变随机性以及快速反应性，核信号的电子学表达形式统分为两大类：(1)脉冲信号，其脉冲发生时刻蕴含着核材料或核事件的信息。按脉冲信号所表征的特征频率范围再分的话，又可以分为高频脉冲和低频脉冲信号；(2)连续信号，其信号的积分效应及电压幅度蕴含着核材料或核事件的信息。按连续信号所表征的特征频率范围再分的话，又可分为高频连续和低频连续信号。

目前，国内外对核信号的采集及功率谱分析已开展了一些研究工作，实现了全硬件化的核信号实时采集及功率谱分析系统，主要有如NWIS(NuclearWeapons Identification System)系统，该系统能够实时采集3～5通道的脉冲中子信号并同时进行功率谱密度的分析。然而系统获取的原始脉冲信号和中间处理结果无法保存，难以对实验进行重复的验证和事后分析。且核心部分的纯硬件化也导致系统只能处理某种特定形式的信号，无法在连续信号与脉冲信号之间、高频分析与低频分析之间切换，针对不同形式的信号，需另建采集与处理系统，且价格极其昂贵，功能扩展、系统重构困难。

近年来，随着计算机科学和电子技术的飞速发展，在现代核电子学领域，数据采集、处理以及分析方法需要不断变革与创新，也需要普适性、高效性，以期得到传统核电子学系统难以得到的结果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术中存在的上述缺陷，构建一种能同时满足高频脉冲、低频脉冲和高频连续、低频连续信号形式的核信号高速采集、高速存储、高速处理分析要求，同时是一套具备后处理、再分析、多存储能力的离线核信号处理与分析系统。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，采用硬件、软件相结合的方式构造出一种基于PC平台、采用高速数据采集卡的核信号处理与分析系统。

该系统包括：中子探测器及其电子学电路、超高速数据采集卡、PC机控制处理器、高速存储磁盘阵列。中子探测器及其电子学电路沿用传统方式，提供核信号源，其电子学电路接收中子探测器输出的中子源裂变释放的中子信号，将其转变成以时间信息为标度的快逻辑负脉冲信号(包括高频脉冲和低频脉冲信号)，或者是以积分电压幅度为标度的连续信号(包括高频连续和低频连续信号)；高速数据采集卡可采用3通道、1GS/s同步的采集系统，它对输入信号经过必要的调理、滤波后进入高速同步A/D转换环节。当来源信号为快逻辑负脉冲信号时，采集卡按时间-数字转换TDC(Time-Digital-Convert)方式采集记录信号，直接由卡载FPGA单元在线完成采集及TDC转换，即仅对脉冲信号执行边沿检测以记录脉冲发生时间，形成的缓存结果为脉冲信号数据流；当来源信号为连续信号时，采集卡按模拟数字转换ADC(Analog-Digital-Convert)方式采集记录信号，即直接对连续信号执行模数转换，记录信号的电压幅度，形成的缓存结果为连续信号数据流。上述高速数据采集卡得到的各种形式的数据流再通过PC总线传输提供给PC机控制处理器进行分析处理，同时转存到高速存储磁盘阵列。信号的采集、传输、存储、处理采用流水线形式的并行方式，通过PC机的多核CPU、多线程方法予以实现并行工作机制。

本发明采用硬件、软件相结合的方式构造出一种基于PC平台的核信号处理与分析系统，采用高速数据采集卡采集包括高频和低频的脉冲信号和连续信号，传输至PC机控制处理器并转存至高速存储磁盘阵列。克服了现有系统存在的不能适应多种形式信号源、不能存储采集数据的中间结果，致使难于对测量数据进行后续回访处理任务，硬件制作难度大、成本高，而且系统可扩展性差、系统测量灵活性程度较低等不足。满足对高频脉冲、低频脉冲和高频连续、低频连续信号情况下的核信号采集、处理、分析。

附图说明

图1  本发明核信号处理系统结构框图

图2  本发明核信号处理系统控制流程框图

具体实施方式

以下结合附图和具体实例对本发明的技术实现方案作具体描述。

如图1所示为本发明系统结构框图，系统构成包括：中子探测器及其电子学部分、超高速数据采集卡、PC机控制处理器、高速存储磁盘阵列。通过同一块数据采集卡可以捕获不同形式、不同来源的中子信号；通过PC软件完成核信号的各种关键处理分析如FFT、频谱、功率谱、相关函数等；通过加配的磁盘阵列可以实现信号的高速存储；通过同一套PC软硬件平台可以完成整个系统各种采集、处理、分析、管理的完全控制和灵活组配。

如图2所示为本发明核信号处理系统控制流程框图，以下具体描述信号控制处理过程。

中子探测器接收中子源裂变释放的中子并经过电子学部分处理输出相应的中子信号，中子探测器及其电子学电路可实现对信号的形成，输出的中子信号包括两种形式：一是以时间信息为标度的快逻辑负脉冲信号，其中包括高频脉冲和低频脉冲信号；二是以积分电压幅度为标度的连续信号，其中包括高频连续和低频连续信号。将上述信号送入超高速数据采集卡，经过采集卡前端必要的调理、滤波后，进行信号检测。本系统使用1GS/s采样率要求的超高速数据采集卡，可组成3通道、1GS/s同步采集系统，能够满足系统要求的采集速率和精度，而且具有多种记录方式。系统工作时高速同步采集性由采用的超高速数据采集卡保证；高速传输性由PCI总线传输速率保证；高速存储由RAID磁盘阵列保证；数据处理分析由高性能PC机保证。

同步采集系统可构成形式完全相同的、具有独立的采集电路、处理电路的3个通道；通过给定一个统一的外触发信号对各通道进行边沿触发，使得各通道开始同步采集信号，实现3通道信号的同步性采集，每采样点的采样是在各通道采集时钟(1ns周期)的下降沿完成的。这样的采集机制保证了3通道信号采集是1ns时间的同步精度，且是1ns时间的采样精度。

PC机主控处理器通过信号识别处理模块识别判断不同来源形式信号，根据中子探测器及其电子学电路输出到通道中信号的数据流形式，主控处理器控制切换采集卡的工作方式为“脉冲方式”或“连续方式”。

当输出到通道的中子信号的数据流为脉冲形式时，通过主控处理器控制超高速数据采集卡切换为脉冲信号工作方式，采集按TDC方式工作，即仅对采集到的脉冲信号执行边沿检测(可直接由卡载FPGA的数据处理单元在线完成)，记录脉冲发生时间，形成的采集结果为数据量大为减少的脉冲时间数据流。对该脉冲时间数据流进行高速缓存、高速传输、高速存储、还原，随后进入PC机端的脉冲数据形式的预处理及后处理环节，在后处理环节进而可以根据信号频率分别选择高频、低频处理及其它各种分析。

上述TDC方式就是对输入到采集卡的脉冲信号在经过A/D转换后，立即在线执行卡载FPGA的边沿检测，以脉冲边沿超过某个设定的阈值时刻作为每个脉冲的发生时间，并且仅记录这个时间数据，在获得各个脉冲时间后，随即舍弃其它所有原始A/D转换数据值。

当输出到通道的中子信号的数据流为连续形式时，主控处理器控制切换超高速数据采集卡为连续信号工作方式，采集按ADC方式工作，即对连续信号直接执行A/D模数转换，记录信号的电压幅度，形成的采集结果为数据量较大的连续信号数据流。对该连续信号原始数据流进行高速缓存、高速传输、高速存储，随后进入PC机端的连续信号形式的预处理及后处理环节，在后处理环节进而可以根据信号频率分别选择高频、低频处理及其它各种分析。

上述ADC方式的特点就是对来源的连续信号在经过A/D转换后，不执行卡载FPGA的边沿检测，直接保留并记录A/D转换原始数据，这时的数据流是数据量较大的，其传输、存储时间较脉冲信号方式为长。

在上述流程控制过程中，无论对于脉冲信号还是连续信号，都已获得了蕴含物理信息的数据。这些脉冲信号时间数据或连续信号幅度数据，经由系统的PCI总线的高速传输、RAID磁盘阵列的高速存储，使得最后的处理分析步骤都能在PC机控制处理器中完成。其中的高频和低频的区别处理是在采集检测时变换或降低采样率予以实现，进而在PC机控制处理器中体现不同频率的分析处理。

在上述流程控制过程中，无论是对于脉冲信号还是连续信号，在系统整个工作过程中，信号的采集、传输、存储、处理需要按流水线形式的并行、高速处理，基于我们构建的系统，这个并行、高速工作机制通过PC机的高性能配置、多核CPU、多线程方法予以实现。高效信号处理由PC机控制处理器软件完成，并充分发挥现代计算机技术的软、硬件成果进行信号的各种关键处理分析如FFT、频谱、功率谱、相关函数等。至于系统的其它软件调控、管理协调、处理分析、图形显示等，则可通过成熟的、先进的软件方法及工具很方便的予以编程实现。

Claims (5)

1、一种基于超高速数据采集卡的多适性核信号处理系统，该系统包括：中子探测器及其电子学电路部分、超高速数据采集卡、PC机控制处理器、高速存储磁盘阵列，其特征在于，中子探测器及其电子学电路部分将中子源裂变释放的中子信号调理成以时间信息为标度的快逻辑负脉冲信号或者是以积分电压幅度为标度的连续信号，输出到高速数据采集卡，采用同一块高速数据采集卡实现对不同来源信号的多通道同步采集处理，当输出到通道的中子信号的数据流为脉冲形式时，通过主控处理器控制超高速数据采集卡切换为脉冲信号工作方式，采集按时间-数据转换TDC方式记录信号；当输出到通道的中子信号的数据流为连续形式时，主控处理器控制切换超高速数据采集卡为连续信号工作方式，采集按模拟/数字转换ADC方式记录信号；采用高速存储磁盘阵列存储原始数据、采集记录信号、最终结果，同时提供给PC机控制处理器进行分析处理。

2、根据权利要求1所述的多适性核信号处理系统，其特征在于，高速数据采集卡采用3通道、1GS/s同步采集系统。

3、根据权利要求1所述的多适性核信号处理系统，其特征在于，所述TDC方式对脉冲信号采样后在线执行卡载FPGA的脉冲边沿检测，记录脉冲发生时间，形成的采集结果为脉冲信号数据流；ADC方式仅对连续信号执行模数转换，记录信号的电压幅度，形成的采集结果为连续信号数据流。

4、根据权利要求1所述的多适性核信号处理系统，其特征在于，采用具有多核CPU、多线程PC机实现信号的采集、传输、存储、处理的流水线形式的并行工作。

5、根据权利要求2所述的多适性核信号处理系统，其特征在于，所述3个通道具有独立的采集电路、处理电路，通过给定一个外触发信号对各通道进行边沿触发，各通道开始同步采集信号，使得各通道信号采集是1ns时间的同步精度，且是1ns时间的采样精度。

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